盐湖卤水侵蚀喷射混凝土衬砌耐久性能退化规律研究

我国西部地区盐湖分布广泛,土壤及地下水中含有高浓度硫酸盐、镁盐及氯盐,与衬砌喷射混凝土发生一系列物理化学反应,造成喷射混凝土单层永久衬砌结构耐久性能下降.为系统研究盐湖卤水侵蚀喷射混凝土耐久性能退化规律,以5％Na2 SO4+5％MgSO4+3.5％NaCl混合溶液为侵蚀介质,采用干湿交替法,分别模拟盐湖卤水及隧道衬砌侵蚀方式,开展喷射混凝土耐久性试验.通过测试混凝土相对动弹性模量、质量变化率、相对抗压强度、损伤层厚度及混凝土中离子含量,研究卤水侵蚀喷射混凝土耐久性能退化规律.结果表明,高水胶比、未掺粉煤灰及高粉煤灰掺量喷射混凝土和模筑混凝土物理力学性能退化速度快,损伤层厚度快速增大,钢纤维可显著提升喷射混凝土抗侵蚀性能.随着侵蚀的进行,混凝土中水溶性钙离子及混凝土pH值下降,水溶性钠离子和氯离子含量增大,酸溶性硫酸根离子含量快速增大.混凝土表面水化产物含量降低,密实度下降,损伤层厚度增大,物理力学性能退化.     

复合盐侵蚀再生混凝土耐久性能退化试验研究

我国西北地区土壤及其地下水中含有大量侵蚀性离子,造成了再生混凝土结构耐久性能快速退化,严重制约着再生混凝土在主体结构中的应用。基于西北地区耐久性环境中侵蚀离子组成及区域气候环境特征,以7.5%(质量分数)MgSO₄-7.5%(质量分数)Na₂SO₄-5%(质量分数)NaCl为侵蚀介质,采用干湿交替方式,开展复合盐侵蚀再生混凝土耐久性能退化试验研究。以粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土等活性矿物掺合料取代水泥,研究矿物掺合料搭配方式对再生混凝土耐久性能影响。采用XRD、FTIR、TG-DSC及SEM、EDS等表征手段,分析侵蚀产物矿物组成、含量及微结构变化,研究复合盐侵蚀再生混凝土损伤过程。随着干湿交替次数增加,再生混凝土相对动弹性模量、质量变化率、相对抗压强度、相对劈裂抗拉强度及损伤层厚度的变化规律与矿物掺合料搭配方式有着显著的相关性。随着侵蚀离子的不断扩散,混凝土碱度降低,在表面依次形成了以水镁石、石膏及钙钒石为主要产物的致密侵蚀产物层,短暂阻碍了侵蚀离子进一步扩散。随着侵蚀产物不断堆积及无胶凝性水化硅酸镁的形成,在膨胀应力及盐结晶压力共同作用下,再生混凝土表面大量剥蚀并开裂,耐久性能快速退化。     

不同侵蚀环境下喷射混凝土耐久性提升技术及作用机理

为了揭示不同侵蚀环境下喷射混凝土的钙溶蚀行为,并探究羧酸酯型侵蚀抑制剂和硅灰对喷射混凝土抗侵蚀性能的影响,本文通过抗压强度及腐蚀溶液钙离子浓度测试对比了氯化铵溶蚀和复合盐侵蚀作用下喷射混凝土的强度损失率和钙离子溶出率的时变规律,并采用TG分析改性喷射混凝土侵蚀前的孔结构和可溶固相钙含量,最后采用XRD和SEM测试分析混凝土侵蚀后的物相组成和微观形貌。结果表明,复合盐侵蚀作用下较多钙矾石等腐蚀产物填充孔隙,导致混凝土强度损失和钙离子溶出率均低于氯化铵溶蚀。氯化铵溶蚀和复合盐侵蚀作用下,喷射混凝土的强度损失率与钙离子溶出率呈线性相关。4%(质量分数)侵蚀抑制剂+2%(质量分数)硅灰复合的作用效果较佳,可使喷射混凝土复合盐侵蚀28 d后的强度损失率和钙离子溶出率分别较空白组降低46.7%和50.9%。羧酸酯型侵蚀抑制剂和硅灰均可通过细化混凝土孔结构、降低氢氧化钙和钙矾石含量来提升喷射混凝土的耐久性。     

干湿循环与盐湖卤水侵蚀共同作用下喷射混凝土的劣化及其机理

通过对比普通混凝土、普通喷射混凝土和钢纤维喷射混凝土在(干湿循环+盐湖卤水侵蚀)共同作用下的外观形貌、抗压强度、物相组成和微观结构,研究了喷射混凝土的劣化及其机理.结果表明:(干湿循环+盐湖卤水侵蚀)150次时,普通混凝土外观形貌破损严重,喷射混凝土外观形貌较完整;普通混凝土抗压强度＜普通喷射混凝土＜钢纤维喷射混凝土;钢纤维喷射混凝土表层微观结构较为致密且存在CH,侵蚀产物石膏在侵蚀后期发生了二次反应;其劣化侵蚀机理包括NaCl、MgCl2、Na2SO4和MgSO4的物理结晶侵蚀及碳酸盐、硫酸盐和镁盐的化学侵蚀,但未发现氯盐的化学侵蚀产物,而喷射混凝土中还发生碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀.     

初始损伤对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

为揭示有初始损伤的喷射混凝土在硫酸侵蚀作用下的性能劣化规律,根据超声波波速变化定义初始损伤度,利用压力试验机对混凝土试件进行初始损伤预制,使初始损伤出现5个不同梯度:0.10、0.15、0.20、0.25、0.30。通过干湿循环硫酸盐侵蚀试验,以外观形貌、质量变化率、相对动弹模量作为评价指标,并借助微观形貌分析和化学组成分析,系统研究了初始损伤度对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,探讨了影响机理,建立了初始损伤喷射混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的损伤演化模型。结果表明,在整个侵蚀过程中,随着侵蚀时间的延长,喷射混凝土试件质量和相对动弹模量均呈先增大后减小的变化趋势。初始损伤度为0.10时混凝土受硫酸盐侵蚀过程影响较小,基本可以忽略。初始损伤度超过0.10后,试件在硫酸盐侵蚀作用下的劣化速度加快。经历180个干湿循环侵蚀后,初始损伤度为0.15、0.20、0.25、0.30组试件的质量较基准组分别下降了2.9%、3.4%、4.0%和4.7%,相对动弹模量分别降至0.42、0.34、0.28、0.16。预制初始损伤所产生的砂浆微裂缝和骨料位移为硫酸盐的侵入提供了有利条件,损伤度为0.10的试件表面有少量剥蚀,内部微裂纹较基准组略多,但腐蚀劣化并不严重。损伤度为0.30的试件表皮几乎全部脱落,内部出现了大量贯穿裂缝,裂缝较宽且深,反应产物中石膏和钙矾石晶体衍射峰强度最高,侵蚀损伤最为严重。根据相对动弹模量变化定义侵蚀损伤因子,所建立的损伤模型曲线与试验结果吻合较好,拟合相关系数均在0.94以上,可以较好地反映不同初始损伤喷射混凝土的损伤劣化规律。     

多元胶凝材料体系再生混凝土复合盐侵蚀耐久性退化规律

我国西北地区土壤及地下水中含有大量侵蚀性硫酸根离子、镁离子与氯离子,导致在役再生混凝土(RAC)耐久性退化,严重制约了RAC在西北地区新建结构中的使用。为了研究多元胶凝材料体系RAC复合盐侵蚀耐久性退化规律,采用全浸泡、部分浸泡及干湿交替三种方式,分别模拟RAC结构构件不同部位的破坏方式,开展RAC耐久性试验。以相对动弹性模量、质量损失率及相对抗压强度为指标,研究不同侵蚀方式下RAC耐久性退化规律,分析多元胶凝材料体系中辅助胶凝材料的搭配方式及取代率对RAC耐久性退化的影响。全浸泡方式下,粉煤灰-矿渣双掺RAC相对动弹性模量下降较慢;部分浸泡方式下,辅助胶凝材料的引入降低了RAC抗复合盐侵蚀能力;干湿交替侵蚀方式下,RAC物理力学性能整体呈先增大后减小的趋势,多元胶凝材料体系RAC皆表现出优于纯水泥RAC的抗盐侵蚀能力     

干湿交替对硫酸盐侵蚀喷射混凝土损伤层试验研究

为了研究硫酸盐侵蚀后喷射混凝土表面损伤层厚度变化,试验采用干湿交替方法,对同配合比普通混凝土、喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土进行硫酸盐侵蚀,利用超声波平测法对试件表层声时进行测定,采用回归方法对试验数据进行拟合,得出试件损伤层厚度.同时,对不同侵蚀龄期试件相对动弹性模量、质量损失率及力学性能进行测试,研究损伤层与试件性能之间关系.结果表明:随着干湿交替次数增加,试件表层超声波波速降低,试件密实度下降,损伤层厚度增大;试件相对动弹性模量、质量损失率随着损伤层厚度增大而增大,试件力学性能随着损伤层厚度增大而减小,但均与损伤层厚度呈指数关系,用损伤层厚度表征试件硫酸盐侵蚀具有较好相关性.     

石膏矿渣水泥混凝土抗硫酸钠侵蚀性能研究

石膏矿渣水泥具有低水化热、良好抗化学侵蚀性能等优点,是一种低碳绿色胶凝材料。为了明确原材料对石膏矿渣水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,对比研究了不同化学组成及活性矿粉制备的石膏矿渣水泥混凝土的强度发展及抗硫酸钠侵蚀性能。结果表明:提高矿粉中Al₂O₃含量可以有效提高石膏矿渣水泥混凝土早期3 d强度;石膏矿渣水泥混凝土在硫酸钠环境下表现出强度软化型劣化;提高水泥用量、降低水灰比可以有效提高低活性矿粉制备的石膏矿渣水泥混凝土的抗硫酸钠侵蚀性能,但不利于高活性矿粉制备的石膏矿渣水泥混凝土的抗硫酸钠侵蚀性能。研究为低活性矿粉制备石膏矿渣水泥混凝土及其寿命预测提供试验数据支撑。     

养护温度对喷射混凝土性能影响的试验研究

为探究不同地温环境对喷射混凝土性能的影响,本研究在实验室模拟相应温度条件,开展不同养护温度下喷射混凝土强度、耐久性及混凝土与岩石粘结强度的研究.结果表明,在25～40℃养护条件下,随养护温度的提高,喷射混凝土的抗压强度、混凝土与岩石的粘结强度呈增大趋势,但在60℃养护条件下抗压强度和粘结强度均降低并随龄期呈先增大后降低的趋势;25～60℃养护条件下的混凝土抗渗等级都为最高等级,氯离子渗透性皆处于低级;随温度升高,其抗渗性、抗氯离子渗透性、抗碳化能力均有所降低.     

温度对高强喷射混凝土性能的影响

主要研究了温度对矿用高强喷射混凝土凝结时间、抗压强度及耐久性的影响.结果表明,当温度在10～15 ℃之间时,随着温度的升高凝结时间下降速率最快;当温度在20～30 ℃之间时,随着温度的升高凝结时间基本不再变化.当温度在10～20 ℃时,矿用高性能喷射混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能较强.当温度在20～30 ℃时,矿用高性能喷射混凝土氯离子扩散系数很低.当养护温度在5～15 ℃时,对矿用高性能喷射混凝土的抗冻性能比较有利.     

铁路隧道聚丙烯纤维喷射混凝土力学与耐久性能研究

聚丙烯纤维喷射混凝土在铁路隧道中得到了广泛的使用。因此,制备了聚丙烯纤维体积掺量分别为0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.25%的喷射混凝土;开展了不同聚丙烯纤维体积掺量和养护龄期的混凝土抗压强度、抗折强度和抗拉强度测试,不同聚丙烯纤维体积掺量的抗渗性能测试,以及不同聚丙烯体积掺量和冻融循环次数的抗冻性能测试;分析了聚丙烯纤维掺量对喷射混凝土力学与耐久性能的影响规律。研究结果表明：聚丙烯纤维的加入能够提高铁路隧道喷射混凝土的拉压比,提高其抗裂以及抗震能力,聚丙烯纤维体积掺量为0.10%～0.20%时,铁路隧道喷射混凝土的抗压和抗折性能最佳;聚丙烯纤维体积掺量由0增加至0.10%时,铁路隧道喷射混凝土的渗水高度减小幅度最大,抗渗性价比最高;铁路隧道喷射混凝土抗冻性能最佳的聚丙烯纤维体积掺量为0.15%。     

干湿循环-硫酸盐侵蚀下矿物掺和料对混凝土耐久性的影响

研究了干湿循环-硫酸盐侵蚀耦合作用下,纯水泥混凝土、粉煤灰掺量10%和20%的粉煤灰混凝土及矿粉掺量15%和30%的矿粉混凝土的质量损失率、抗压强度和氯离子扩散系数的演变规律.采用X射线衍射、扫描电子显微镜、能谱分析研究了侵蚀后试件的微观形貌与物质元素组成.结果表明干湿循环-硫酸盐侵蚀耦合作用下混凝土性能发展分为2个阶段:即侵蚀初期性能的提高段与随后性能的劣化段:矿物掺和料的掺入不能改善混凝土的抗干湿循环-硫酸盐侵蚀性能.     

速凝剂种类对钢纤维喷射混凝土力学及界面性能影响

采用三分点加载法系统地评价了液体速凝剂种类对喷射大板成型钢纤维混凝土的力学强度与弯曲韧性行为的影响,设计同配比钢纤维砂浆体系,从早期力学强度发展与钢纤维-水泥基体微观界面方面探究了液体速凝剂种类对钢纤维增韧作用的影响机理,结果表明:相对于有碱速凝剂,无碱速凝剂的掺入对混凝土基体后期强度影响较小,有利于发挥钢纤维的增韧抗弯作用,体系荷载-挠度曲线更为饱满;从早期力学强度发展角度,无碱速凝剂通过促进短柱状钙矾石与纤维针状C-S-H凝胶的早期水化环境形成,有效地改善了水泥基体与钢纤维的界面粘结效果,有利于提高钢纤维喷射混凝土的早期初期支护能力。     

硫酸盐浸泡环境下CaO-Na2CO3激发矿渣砂浆性能退化及机理研究

以Na₂SO₄和MgSO₄溶液为侵蚀介质,研究了在浸泡环境下CaO-Na₂CO₃激发矿渣(CNS)砂浆和普通硅酸盐水泥(OPC)砂浆经硫酸盐侵蚀前后的抗折强度、抗压强度及不同深度处的SO^2-₄浓度,结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、压汞法(MIP)等测试方法分析了CNS砂浆和OPC砂浆的侵蚀产物及孔结构,对比讨论了Na₂SO₄和MgSO₄对CNS砂浆和OPC砂浆的侵蚀机理。结果表明:CNS砂浆的水化产物主要是低Ca/Si比的水化硅铝酸钙(C-A-S-H),不存在氢氧化钙,碳酸钙的填充作用使其孔结构优于OPC砂浆,并且在相同侵蚀环境下,CNS砂浆的抗硫酸盐侵蚀能力大于OPC砂浆;MgSO₄侵蚀环境下CNS砂浆的侵蚀产物主要是水镁石(腐蚀后期会带动试件表面的砂浆一起剥落)和无黏聚力的水化硅铝酸镁(M-A-S-H);与Na₂SO₄相比,MgSO₄对CNS砂浆的腐蚀性更强。     

速凝剂种类对钢纤维喷射混凝土力学及界面性能影响EI北大核心CSCD

采用三分点加载法系统地评价了液体速凝剂种类对喷射大板成型钢纤维混凝土的力学强度与弯曲韧性行为的影响,设计同配比钢纤维砂浆体系,从早期力学强度发展与钢纤维-水泥基体微观界面方面探究了液体速凝剂种类对钢纤维增韧作用的影响机理,结果表明:相对于有碱速凝剂,无碱速凝剂的掺入对混凝土基体后期强度影响较小,有利于发挥钢纤维的增韧抗弯作用,体系荷载-挠度曲线更为饱满;从早期力学强度发展角度,无碱速凝剂通过促进短柱状钙矾石与纤维针状C-S-H凝胶的早期水化环境形成,有效地改善了水泥基体与钢纤维的界面粘结效果,有利于提高钢纤维喷射混凝土的早期初期支护能力。     

273.15 K下四元体系Li+，Mg2+∥ Cl-，SO42——H2O相平衡研究

采用等温溶解平衡法研究了273.15 K下四元体系Li+,Mg2+∥Cl-,SO42--H2O的相平衡关系。测定了该体系各种盐类的溶解度及溶液密度, 并绘制相图。研究结果表明：273.15 K下四元体系Li+,Mg2+∥Cl-,SO42--H2O等温相图有5个单盐结晶区（Li2SO4·H2O,MgSO4·7H2O,LiCl·2H2O, LiCl·MgCl2·7H2O,MgCl2·6H2O）;7条单变量线和3个共饱点。与该体系下298.15 K相图相比,MgSO4·7H2O结晶区变大;Li2SO4·H2O和MgCl2·6H2O结晶区明显减小;LiCl·MgCl2·7H2O和LiCl·2H2O结晶区比较小,减小不明显。温度对硫酸盐结晶区的影响较大。     

-15℃下Na+， K+， Mg2+//Cl-， NO3-， SO42——H2O体系相平衡研究

新疆卤水硝酸盐矿主要含有Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-六种离子,属于高元复杂体系,其合理利用和开发需要不同温度下的相平衡研究作为理论支撑。采用等温溶解平衡法,对Na⁺, K⁺, Mg²⁺//Cl^-, NO₃^-, SO₄^2--H₂O体系在-15℃、NaCl·2H₂O饱和条件下的相平衡进行了研究,并构建了相图。相图中有六个零变量点和八个两盐结晶区,只存在一种复盐KCl·MgCl₂·6H₂O。八个两盐结晶区,分别对应于NaCl·2H₂O+Na₂SO₄·10H₂O、NaCl·2H₂O+NaNO₃、NaCl·2H₂O+KCl、NaCl·2H₂O+KNO₃、NaCl·2H₂O+MgSO₄·7H₂O、NaCl·2H₂O+MgCl₂·8H₂O、NaCl·2H₂O+Mg(NO₃)₂·6H₂O和NaCl·2H₂O+KCl·MgCl₂·6H₂O,其中NaCl·2H₂O+Na₂SO₄·10H₂O共晶区最大,在低温时,硫酸钠的溶解度最小,降温过程中较易结晶析出。与该体系在25℃下的相图相比,复盐种类减少5种,零变量点减少19个,相关系得以极大简化。